Tepelné pôsobenie prúdu, prúdová hustota a ich vplyv na zahrievanie vodičov

Termickým pôsobením elektrického prúdu sa rozumie uvoľňovanie tepelnej energie počas priechodu prúdu vodičom. Keď prúd prechádza prúdom, voľné elektróny tvoriace prúd sa zrážajú s iónmi a atómami vodiča a zohrievajú ho.

Množstvo uvoľneného tepla sa v tomto prípade môže určiť pomocou Joule-Lenzov zákon, ktorý je formulovaný takto: množstvo tepla uvoľneného počas priechodu elektrického prúdu vodičom sa rovná súčinu štvorca prúdu, odporu vodiča a času, ktorým prúd prechádza vodičom.

Ak vezmeme prúd v ampéroch, odpor v ohmoch a čas v sekundách, dostaneme množstvo tepla v jouloch. A vzhľadom na to, že súčinom prúdu a odporu je napätie a súčinom napätia a prúdu je energia, ukazuje sa, že množstvo uvoľneného tepla je v tomto prípade rovnaké ako množstvo elektrickej energie prenesené do tohto vodiča počas priechodu prúdu cez neho. To znamená, že elektrická energia sa premieňa na teplo.

Príjem tepelnej energie z elektrickej energie sa od staroveku často používa v rôznych technikách. Elektrické ohrievače, ako sú ohrievače, ohrievače vody, elektrické sporáky, spájkovačky, elektrické pece atď., Ako aj elektrické zváranie, žiarovky a oveľa viac, používajú tento princíp na výrobu tepla.

Ale vo veľkom počte elektrických zariadení je zahrievanie spôsobené prúdom škodlivé: elektrické motory, transformátory, vodiče, elektromagnety atď. - v týchto zariadeniach, ktoré nie sú určené na príjem tepla, kúrenie znižuje ich účinnosť, narúša efektívnu prevádzku a môže dokonca viesť k mimoriadnym situáciám.

Pre každý vodič je v závislosti od parametrov prostredia charakteristická určitá prijateľná hodnota aktuálnej hodnoty, pri ktorej sa vodič nezohrieva.

Napríklad na zistenie prípustného aktuálneho zaťaženia vodičov použite parameter „Aktuálna hustota“charakterizujúci prúd na 1 mm2 plochy prierezu tohto vodiča.

Prípustná prúdová hustota pre každý vodivý materiál je za určitých podmienok rôzna, záleží na mnohých faktoroch: na type izolácie, rýchlosti chladenia, okolitej teplote, priereze atď.

Napríklad pre elektrické stroje, kde sú vinutia spravidla vyrobené z medi, by maximálna povolená prúdová hustota nemala prekročiť 3-6 ampérov na štvorcový mm. Pre žiarovku a presnejšie pre jej volfrámové vlákno nie viac ako 15 ampérov na meter štvorcový.

V prípade drôtov osvetľovacích a energetických sietí sa maximálna prípustná prúdová hustota meria na základe typu izolácie a prierezu.

Ak je materiálom vodiča meď a izolácia je guma, potom s prierezom napríklad 4 štvorcové mm je povolená prúdová hustota nie väčšia ako 10,2 ampér na štvorcový mm, a ak je prierez 50 štvorcových mm, bude povolená prúdová hustota iba 4,3 ampér na štvorcový mm Ak vodiče označenej oblasti nemajú izoláciu, potom budú prípustné prúdové hustoty 12,5 a 5,6 ampér na štvorcový mm.

Aký je dôvod zníženia prípustnej prúdovej hustoty vodičov väčšieho prierezu? Faktom je, že vodiče s významnou prierezovou plochou, na rozdiel od vodičov s malým prierezom, majú vo vnútri väčší objem vodivého materiálu, a ukázalo sa, že vnútorné vrstvy vodiča sú samotné obklopené vykurovacími vrstvami, ktoré interferujú s odvádzaním tepla z vnútornej strany.

Čím väčšia je plocha povrchu vodiča vzhľadom na jeho objem, tým vyššia je prúdová hustota, ktorú vodič dokáže vydržať bez prehriatia. Neizolované vodiče umožňujú zahrievanie na vyššiu teplotu, pretože teplo sa z nich prenáša priamo do okolitého prostredia, izolácia to nezasahuje a chladenie prebieha rýchlejšie, preto je pre ne povolená vyššia prúdová hustota ako pre vodiče v izolácii.

Ak je prekročený povolený prúd pre vodiča, začne sa prehrievať av určitom okamihu bude jeho teplota nadmerná. Izolácia vinutia motora, generátora alebo iba kabeláže sa môže za týchto podmienok spáliť alebo vznietiť, čo vedie k skratu a požiaru. Ak hovoríme o neizolovanom vodiči, môže sa pri vysokej teplote jednoducho roztaviť a prerušiť obvod, v ktorom slúži ako vodič.

Prekročeniu povoleného prúdu sa obyčajne zabráni. Preto sa v elektrických inštaláciách zvyčajne prijímajú špeciálne opatrenia na automatické odpojenie časti zdroja energie alebo elektrického prijímača, od ktorého sa to stalo, od zdroja energie. nadprúd alebo skrat, Na tento účel použite ističe, poistky a ďalšie zariadenia, ktoré nesú podobnú funkciu - na prerušenie obvodu počas preťaženia.

Zo zákona Joule-Lenz vyplýva, že k prehriatiu vodiča môže dôjsť nielen v dôsledku nadmerného prúdu jeho prierezom, ale aj z dôvodu vyššieho odporu vodiča. Z tohto dôvodu je pre úplnú a spoľahlivú prevádzku každej elektrickej inštalácie mimoriadne dôležitý odpor, najmä v miestach, kde sú jednotlivé vodiče navzájom spojené.

Ak vodiče nie sú pevne spojené, ak ich vzájomný kontakt nie je kvalitný, potom odpor na spoji (tzv. kontaktný odpor) bude vyššia ako pri integrálnej časti vodiča rovnakej dĺžky.

V dôsledku priechodu prúdu cez také nekvalitné, nie dostatočne husté spojenie, sa miesto tohto spojenia prehrieva, čo je plné ohňa, vyhorenia vodičov alebo dokonca ohňa.

Aby sa tomu zabránilo, konce pripojených vodičov sú spoľahlivo odlúpané, pocínované a vybavené káblovými okami (spájkovanými alebo lisovanými) alebo objímkami, ktoré poskytujú rezervu pre prechodový odpor v kontaktnom bode. Tieto hroty môžu byť pevne pripevnené ku svorkám elektrického stroja pomocou skrutiek.

V prípade elektrických zariadení určených na zapínanie a vypínanie prúdu sa tiež prijímajú opatrenia na zníženie prechodového odporu medzi kontaktmi.

Pozri tiež túto tému:

Ako chrániť vedenie pred preťažením a skratom

Plocha prierezu drôtov a káblov, v závislosti od sily prúdu, výpočet požadovaného prierezu káblov